نظرية تحول الحالة

يسير التفاعل من اليسار إلى اليمين عن طريق تكوين مركب انتقالي مثار ، ومنها تنتج نواتج التفاعل إلى اليسار .

نظرية تحول الحالة في الكيمياء (Transition state theory)‏

هي نظرية تفسر معدل التفاعل في تفاعل كيميائي بسيط . وتفترض النظرية نشأة توازن كيميائي بين المواد الداخلة في التفاعل و حالات انتقالية مثارة للجزيئات . ^[1]

وتستخدم النظرية أساسا لفهم كيفية سير تفاعل كيميائي. ولكنها لم تكن ناجحة كل النجاح لحساب ثابت معدل التفاعل ، حيث أن حساب ثابت معدل التفاعل يحتاج معرفة دقيقة لأسطح الجهد الكيميائي أو "أسطح الكمون الكيميائي ". ^[2] ورغما عن ذلك فتنجح النظرية لحساب إنتالبي التنشيط (Δ^‡H^⦵), وحساب أنتروبيا التنشيط (Δ^‡S^⦵), وكذلك حساب طاقة جيبس للتنشيط (Δ^‡G^⦵) لتفاعل معين في حالة تعيين ثابت المعدل التفاعل له مسبقا بطريقة عملية.

يتبين من الشكل أن الطاقة الكلية للمواد الداخلة في التفاعل تحتاج إلى طاقة إضافية منشطة وقدرها هنا (Δ^‡G^⦵) لكي تتفاعل . وعند حصولها إلى تلك الطاقة المنشطة تنتج مكونات وسطية مثارة (لأنها تحتوي على الطاقة المنشطة وتصبح فوق الجبل) ، ثم تنزلق إلى أسفل مكونة نواتج التفاعل . من الملاحظ أن الطاقة الداخلية للمواد الداخلة في التفاعل أكبر من الطاقة الداخلية للمواد الناتجة من التفاعل ، ولكنها تحتاج إلى إثارة بالمقدار (Δ^‡G^⦵) لكي تعبر جبل طاقة الوضع الحائل بين المواد الداخلة والمواد الناتجة من التفاعل.

استنباطها

نستنبطها بافتراص أحد التفاعلات حيث تتفاعل المادتان ${\displaystyle A}$ و ${\displaystyle B}$ لإنتاج المادة ${\displaystyle P}$ . وكما وصفنا من قبل يتكون أولا المركب الانتقالي المثار ${\displaystyle C^{\ddagger }}$ الذي يفقد الإثارة ويتحول إلى الناتج P .

${\displaystyle \mathrm {A+B\ {\overrightarrow {\longleftarrow }}\ C^{\ddagger }\ \rightarrow \ P} }$

وتسير سرعة التفاعل ونعرفها بأنها سرعة تكوين الناتج الناتج P ، طبقا للعلاقة :

${\displaystyle {\frac {d\mathrm {[P]} }{dt}}=k^{\ddagger }\cdot \mathrm {[C^{\ddagger }]} }$

و يُعرف تركيز المركب الانتقالي المثار ${\displaystyle \mathrm {[C^{\ddagger }]} }$ عن طريق ثابت معدل التفاعل لحالة توازن المواد الداخلة في التفاعل ، حيث أن

${\displaystyle K^{\ddagger }=\mathrm {\frac {[C^{\ddagger }]}{[A]\cdot [B]}} }$

واستبداله بتركيزي A و B .

${\displaystyle {\frac {d\mathrm {[P]} }{dt}}=k^{\ddagger }\cdot K^{\ddagger }\mathrm {\cdot [A]\cdot [B]} }$

هذه المعادلة تعطينا معدل ة تكوين الناتج P مع الزمن t ، ويمكننا اختصارها إلى الصيغة:

${\displaystyle {\frac {d\mathrm {[P]} }{dt}}=k\mathrm {\cdot [A]\cdot [B]} }$

ونحصل على ثابت معدل التفاعل ${\displaystyle k}$ :

${\displaystyle k=k^{\ddagger }\cdot K^{\ddagger }}$

ونحصل على ثابت معدل التفاعل المثار ${\displaystyle k^{\ddagger }}$ على الصورة :

${\displaystyle k^{\ddagger }={\frac {k_{b}\cdot T}{h}}}$

ويلزم تعيين المعامل الانتقالي ${\displaystyle \kappa }$ عمليا وإضافته إلى المعادلة.

نجد تلك المعادلة في الصيغة التالية في كتب كثيرة :

${\displaystyle k={\frac {k_{b}\cdot T}{h}}\cdot K^{\ddagger }}$

حيث ${\displaystyle K^{\ddagger }={\frac {Q^{\ddagger }}{Q_{A}Q_{B}}}\cdot e^{-{\frac {E_{0}}{k_{b}T}}}}$ ، و ${\displaystyle E_{0}}$ الفرق بين طاقة درجة الصفر للمواد الداخلة في التفاعل وطاقة المركب الانتقالي المثار .

تبلغ قيمة ${\displaystyle k^{\ddagger }={\frac {k_{b}\cdot T}{h}}}$ عند درجة حرارة T = 300 كلفن نحو ${\displaystyle 6{,}25\cdot 10^{12}\,\mathrm {s} ^{-1}}$ وهي تسمى معامل التردد ، وهي تعادل تقريبا معدل أصتدام الجزيئات في السائل.

اقرأ أيضا

• تفاعل كيميائي
• تفاعل ناشر للحرارة
• تفاعل يمتص الحرارة
• تفاعل الثرميت
• تفاعل أكسدة-اختزال
• اختزال
• معادلة أرينيوس
• تفاعل نووي
• نظرية تحول الحالة

المراجع

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة الفيزياء
• موسوعة كيمياء فيزيائية
• موسوعة الكيمياء